در سالهای اخیر هیدروژن به عنوان یک منبع انرژی سازگار با محیط زیست با منابع زیاد، در صنایع حمل و نقل مورد توجه واقع شده و نحوه ذخیره آن تحت بررسی دقیق، قرار گرفته است در واقع با سوختن هیدروژن، آب به عنوان محصول جانبی و مقدار بسیار کمی ترکیبات نیتروژن تولید می گردد. وسایل نقلیه با سوخت هیدروژنی، ویژگیهایی از خود نشان می دهند که آنها را به عنوان نامزد اصلی برای جایگزینی با وسایل نقلیه ای با سوخت پایه نفتی امروزی، تبدیل می کند. از تکنولوژیهای مختلفی چون گاز هیدروژن متراکم جذب سطحی هیدروکسید فلزات و هیدروژن مایع برودتی برایذخیره سازی سوخت هیدروژن استفاده می شود که گاز هیدروژن متراکم نسبت به سایر روش های ذخیره سازی در میزان انرژی مصرفی بهینه تر است امروزه برای ذخیره سازی هیدروژن به منظور استفاده از آن به عنوان سلولهای سوختی در وسایل نقلیه و حتی در سفینه ها، از کپسول هیدروژن استفاده می شود.

کپسول هیدروژن کامپوزیتی در زمینه های صنعتی، تجاری، تحقیقاتی و دفاعی به دلیل راندمان بالاتر و مقاومت بیشتر در شرایط سخت کاری، جایگاه منحصر به فردی را پیدا کرده اند. کپسول هیدروژن کامپوزیتی حدود 70 ٪سبک تر از فولاد است و حدود 30 تا 50 ٪ سبک تر از مخازن تحت پوشش آلومینیوم است. کپسول هیدروژن کامپوزیتی جایگزین مناسب مخازن فلزی متناظر در برنامه های تجاری است. میزان هزینه بالاتر برای استفاده موثر از مواد کامپوزیتی، استفاده گسترده از این مواد را در صنعت محدود کرده است. ظروف مخزن کامپوزیتی معمولا از یک پوشش فلزی (آلومینیوم یا تیتانیوم) که با شیشه های با مقاومت بالا یا الیاف کولار پیچیده شده اند، تشکیل شده است. اکثر مخازن ترکیبی با استفاده از روش کالف پیچی رشته ها ساخته می شوند. مهمترین مزیت کالف پیچی رشته ها کاهش هزینه است.

از این رو تقویت کامپوزیت ها با استفاده از فیبر ها، یک واقعیّت است، که برای این منظور در دو مرحله هموژنیزه کردن را می توان اعمال کرد. مرحله اول هموژنیزه سازی با استفاده از محاسبه ویژگی های مکانیکی کامپوزیت ها با هم ترازی غیر محوری فیبر های آنهاست. در دومین مرحله، با اثر بخشی ویژگی های مواد گروه کامپوزیت ها معین می شوند، این تحلیل مزیت های دیگر تقسیمات را امکان پذیر کرده و ساختار نا مشخص آنها را تشریح می نماید.

مروری بر هیدروژن

هیدروژن، گازی صنعتی که در حقیقت به صورت تحت فشار ذخیره شده و یا به عنوان سیال مبرد مورد استفاده قرار می گیرد. از ابتدای قرن گذشته هیدروژن در کپسول های بدون درز فولادی ذخیره می شد همچنین در دهه 70 با توجه به تحقیقات انجام شده در مورد اثرات شیمیایی هیدروژن، از سیلندرهای آلومینیومی برای ذخیره هیدروژن استفاده می شد. سیلندرهای آلومینیومی برای ذخیره هیدروژن از اواخر دهه 60 مورد استفاده قرار گرفتند، اما هزینه های آنها نسبت به سیلندرهای فولادی همچنان بالاتر بود و ظرفیت حجمی کمتری داشتند. در سالهای بعدی سرویس دهی کپسول هیدروژن تحت فشار افزایش یافته و همچنان وزن آنها نیز کاهش پیدا کرد. در ادامه با توسعه تحقیقات ذخیره هیدروژن برای اهداف فضایی و صنایع نظامی، تولید مخزن با الیاف پیچشی آغاز شد و در دهه 80 توسعه پیدا کرد. همچنین این مخازن به منظور استفاده در صنعت حمل و نقل، کاربردهای ورزشی و صنایع خودرویی تولید می شدند. برخی از منابع شروع استفاده کپسول کامپوزیتی را از70 سال قبل معرفی می کنند؛ اما استفاده رسمی از این نوع مخازن به عنوان مخزن سوخت از سه یا چهاردهه قبل اهمیّت بیشتری پیدا کرد. روند تولید خودرو های هیدروژنی رو به رشد است.

کاربردهای کپسول هیدروژن کامپوزینی

شرکت هوندا از اواخر سال 2016 فروش سدان هیدروژنی خود به نام کالریتی را آغاز کرد. اما بجز هوندا شرکت هایی نظیر لکسوس و آِیودی نیز چند نمونه خودرو هیدروژنی معرفی کردند. شرکت تویوتا در حدود 25 سال است که در زمینه خودروهای هیدروژنی فعالیت می کند و مدل های جدید خود را نیز به بازار ارائه کرده است.

یکی از دانشمندان در سال 2011، به بررسی کامپوزیت ها و روش های تولید آنها بخصوص روش پیچش الیاف و شکست در مخازن تحت فشار کامپوزیتی نوع IV دو لیتری، پرداخت. به علاوه او در این پژوهش با استفاده از نتایج آزمایش های تجربی، خواص ماکرومکانیکی کامپوزیت الیاف کربن اپوکسی را نیز استخراج کرد. همچنین محققین تاثیر حجم الیاف بر ظرفیت مخازن تحت فشار کامپوزیتی را بررسی کردند. آنها رابطه بین حجم الیاف و فشار قابل تحمل و پارامترهای مهم در کیفیت کپسول هیدروژن کامپوزیتی را به صورت تجربی و تئوری بدست آوردند؛ تحلیل استاتیکی داده ها نشان داد که روش های ساخت و پارامترهای طراحی، در ظرفیت کپسول هیدروژن بسیار تاثیر گذار است.

محققان حل تحلیلی بر اساس تئوری ترمو الاستیک، برای یافتن توزیع تنش در مخزن کامپوزیتی چند لایه که از طرف سیال تحت فشاردلخلی و بار گرمایی قرار گرفته است، بدست آوردند. در این تحلیل، تاثیر دو انتهای بسته مخزن در نظر گرفته شده است. برای این منظور، به بررسی آسیب های مختلف در مخازن تحت فشار کامپوزیتی بر توان تحمل خستگی آنها بصورت تجربی و المان محدود پرداختند. دانشمندان در سال 2013 استحکام مخازن تحت فشار از جنس الیاف یک جهته کربن را مورد بررسی قرار دادند و دریافتند که میزان استحکام آنها به اندازه بارگذاری و تاثیر آن بر رفتار مواد ویسکو الاستیک موجود در کامپوزیت ها بستگی دارد.

همچنین محققین ، با استفاده از بهینه سازی در تحلیل آسیب پیش رونده و با کمک معیار تخریب هشین و کاهش خواص مکانیکی مواد به شبیه سازی تخریب کپسول هیدروژن تحت فشار کامپوزیتی نوع IV ، در نرم افزار انسیس پرداختند .ایشان نتایج تجربی را با نتایج حاصل از دو مدل سازی المان های توپر و ترکیب المان های پوسته و توپر مقایسه کرده و دریافتند که هر دو مدل سازگاری مناسبی با واقعیت دارند و میتوان برای کاهش زمان تحلیل و بهینه سازی از حالت ترکیب المان های پوسته و توپر با کمی دقت کمتر در محاسبه تنش ها نسبت مدل سازی با المان های توپر استفاده کرد. همچنین به بررسی تاثیرات ناشی از پیچش الیاف مانند ضخامت الیه ها، زاویه الیاف و تعداد هر الیه بخصوص تاثیر الیه های محیطی بر روی فشار ترکیدگی مخازن تحت فشار کامپوزیتی دو لیتری نوع IV با فشار MPa 70 پرداختند.

در سال 2011 مخازن تحت فشار مورد استفاده در زیر دریا را بر مبنای معیار شکست باکلینگ مورد ارزیابی قراردادند و به جمع بندی دانش فنی موجود برای طراحی مخازن و تاثیر نوع فرآیند بر بهبود مدل های موجود پرداختند و روشی نوین برای کاهش تعداد آزمایش ها و هزینه ها ارائه دادند.

اکستروژن مجازی برای در نظر گرفتن اثر دو انتهای بسته مخزن تحت فشار پیشنهاد شده است. یکی از دانشمندان در سال 2012 مقاله ای برای ارزیابی تکنیک های مدل سازی برای مخازن نوع سوم تحت فشار هیدروژن ساخته شده از آستر آلومینیومی و لایه های ضخیم کامپوزیتی کربن اپوکسی (45 میلی متر) برای سلول سوختی در وسائل نقلیه ارائه داد که در این توزیع تنش در الیه های کامپوزیتی کپسول نوع سوم هیدروژنی با استفاده از سه تکنیک مختلف مدل سازی محاسبه شده است.

در این پژوهش، به شبیه سازی المان محدود کپسول هیدروژن کامپوزیتی نوع IV با استفاده از نرم افزار تجاری انسیس به منظور تعیین فشار ترکیدگی و عوامل موثر بر آن در این نوع مخازن، پرداخته می شود. در این شبیه سازی به منظور نزدیک شدن مدل ارائه شده برای این مخازن به نمونه واقعی آن و نیز افزایش دقت مدل سازی، پیچیدگی های موجود در هندسی و جهت گیری الیاف، بخصوص در ناحیه عدسی ها، با استفاده از نرم افزار انسیس مدل سازی شده اند.

مخازن تحت فشار از نظر جنس، به پنج نوع تقسیم می شوند:

1-      نوع اول: این نوع از مخازن به طور کامل از فلز ساخته می شوند)آلومینیم یا فوالد(. آنها مخازن خوبی بوده امّا سنگین تر از دیگر مخازن هستند.

2-      نوع دوم: در این گونه از مخازن از یک الینر فلزی که با یک الیه کامپوزیت اطراف آن پوشیده شده است(پوشش ناقص)، ساخته شده اند. در ساخت آنها تا حدودی هم از الینر و هم از مواد مرکب استفاده شده و هر کدام به یک اندازه روی مخزن عمل می کنند. مزیت اصلی این گونه مخازن وزن کمتر آنها است.

3-      نوع سوم: در این مخازن از الینر فلزی که با یک الیه کامپوزیت در سرتاسر مخزن پوشش داده شده است(پوشش کامل) ساخته می شوند، که این الینر مقدار کمی از تنش را پوشش می دهد. وزنش در مقایسه با نوع دوم سبک تر بوده، اما گرانتر هستند.

4-      نوع چهارم: در این مخازن از یک الینر پالستیکی غیر قابل نفوذ گاز که با کامپوزیت در سرتاسر مخزن پوشش داده شده است (پوشش کامل)، ساخته شده اند. این مخازن کامپوزیتی مقاوم بوده و از سایر موارد قبلی گرانترند.

5-      نوع پنجم: کامپوزیت مخزن کاملا غیر خطی بوده و با فیبرکربن یا کامپوزیت فیبر شیشه با پوشش داخلی پیش ساخته و یا به عبارتی پوشش قربانی  شونده ساخته شده است. ماده کامپوزیت تمام بار فشاری را تحمل می نماید.